人工智能設計的熱泵消耗更少的能源

作者：Laure-Anne Pessina，洛桑聯邦理工學院

圖檔來源：洛桑聯邦理工學院

在瑞士，50%至60%的新房配備了熱泵。這些系統從周圍環境（例如來自地面、空氣或附近的湖泊或河流）中吸收熱能，并将其轉化為建築物的熱量。

雖然今天的熱泵通常運作良好且環保，但它們仍有很大的改進空間。例如，通過使用微型渦輪壓縮機代替傳統的壓縮系統，工程師可以将熱泵的功率需求降低 20% 到 25%（見插圖）及其對環境的影響。這是因為渦輪壓縮機比活塞裝置效率更高，體積小十倍。但是，将這些微型元件整合到熱泵的設計中并不容易。其微小的直徑（<20 mm）和快速的轉速（大于200,000 rpm）會引起并發症。

在洛桑聯邦理工學院位于Microcity校區的應用機械設計實驗室，由Jürg Schiffmann上司的一組研究人員開發了一種方法，可以更容易、更快速地将渦輪壓縮機添加到熱泵中。研究人員使用一種稱為符号回歸的機器學習過程，提出了簡單的方程式，用于快速計算給定熱泵的渦輪壓縮機的最佳尺寸。他們的研究剛剛在美國機械工程師協會舉辦的2019年渦輪增壓博覽會會議上獲得了最佳論文獎。

快 1,500 倍

研究人員的方法大大簡化了設計渦輪增壓器的第一步。這一步涉及粗略計算所需熱泵的理想尺寸和轉速，這一點非常重要，因為良好的初步估算可以大大縮短整體設計時間。到目前為止，工程師們一直在使用設計圖表來确定渦輪壓縮機的尺寸，但這些圖表随着裝置規模的縮小而變得越來越不準确。而且圖表沒有跟上最新技術。

圖檔來源：洛桑聯邦理工學院

這就是為什麼洛桑聯邦理工學院的兩名博士生——維奧萊特·穆尼爾（Violette Mounier）和西裡爾·皮卡德（Cyril Picard）——緻力于開發一種替代方案。他們将 500,000 次模拟的結果輸入到機器學習算法中，并生成了複制圖表的方程式，但有幾個優點：即使在小尺寸的渦輪壓縮機下，它們也很可靠;它們與更複雜的模拟一樣詳細;它們的速度快了 1,500 倍。研究人員的方法還讓工程師跳過了傳統設計過程中的一些步驟。它為微型渦輪增壓器在熱泵中的更易于實施和更廣泛使用鋪平了道路。 編譯 陳講運

微型渦輪壓縮機的優點

傳統的熱泵使用活塞來壓縮稱為制冷劑的流體，并驅動蒸汽壓縮循環。活塞需要潤滑良好才能正常工作，但油會粘在熱交換器壁上并損害傳熱過程。然而，直徑隻有幾十毫米的微型渦輪壓縮機可以在沒有油的情況下運作;它們在氣體軸承上以數十萬轉/分的速度旋轉。部件之間的旋轉運動和氣體層意味着幾乎沒有摩擦。是以，這些微型系統可以将熱泵的傳熱系數提高 20% 至 30%。

這種微型渦輪增壓器技術已經發展了好幾年，現在已經成熟。“已經有幾家公司與我們聯系，他們有興趣使用我們的方法，”Schiffmann 說。由于研究人員的工作，公司将更容易将微型渦輪增壓器技術整合到他們的熱泵中。

更多資訊：Mounier Violette 等人，制冷中小型離心壓縮機的資料驅動預設計工具，瓦斯輪機與動力工程雜志（2018 年）。DOI： 10.1115/1.4040845